MOS-設(shè)計(jì)選型模板

MOSFET設(shè)計(jì)選型指導(dǎo)1、目的:2、適用范圍:3、背景說(shuō)明:制作MOSFET指導(dǎo)書(shū)的必要性:MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及封裝圖:瑞谷MOSFET類(lèi)別（簡(jiǎn)介范圍）：4、4、MOSFET知識(shí)介紹MOSFET工作原理圖MOSFET類(lèi)型和主要特性TOC\o"1-5"\h\z主要參數(shù)介紹及定義 5最大額定參數(shù) 5\o"CurrentDocument"靜態(tài)電特性 10\o"CurrentDocument"動(dòng)態(tài)電特性 115、運(yùn)放案例分析: 12\o"CurrentDocument"6、器件設(shè)計(jì)選型注意事項(xiàng) 14

1、目的： 提升技術(shù)人員對(duì)MOSFET器件的了解水準(zhǔn)，并通過(guò)后續(xù)不斷升級(jí)和完善，可形成具有實(shí)際指導(dǎo)性的文件；避免電路設(shè)計(jì)不匹配，器件選型、器件替代錯(cuò)亂等等；2、適用范■一|==?日2、適用范■一|==?日本指導(dǎo)書(shū)適用于對(duì)MOSFET知識(shí)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)選型號(hào)及替代。3、背景說(shuō)明:制作MOSFET指導(dǎo)書(shū)的必要性:在2010年MOSFET出現(xiàn)了兩個(gè)品牌失效：客戶端IPS品牌失效：2010年，AP54在客戶端失效MOSFET超過(guò)40PCS，該器件為IPS品牌型號(hào)FTA06N65，規(guī)格650V6.5A；生產(chǎn)線AOS品牌失效：2010年九月份，AP54產(chǎn)品在手動(dòng)OVP測(cè)試時(shí)，一天時(shí)間失效了10PCSMOSFET，品牌：AOS，型號(hào)：AOTF7N65，規(guī)格：650V7人；除了OVP工位外，其他測(cè)試工位也有零星失效；針對(duì)出現(xiàn)的這些問(wèn)題，我們不僅要立即處理失效品保證正常生產(chǎn)出貨，更重要的是怎樣做到預(yù)防和避免。因此，制定MOSFET設(shè)計(jì)選型指導(dǎo)書(shū)很有必要;MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及封裝圖：（舉例）-D-22OF結(jié)構(gòu)圖I封裝TC-220目前瑞谷MOSFET類(lèi)別（簡(jiǎn)單介紹）：TO-220：40V/202A---800V/11ASO-8：12V/25A---200V/4ADPAK：30V/90A——800V/3AD2PAK：30V/90A---500V/12ATO-3P：200V/42A—900V/11A4、MOSFET4、MOSFET知識(shí)介紹MOSFET工作原理圖:P襯底p襯底圖1MOSFET（N溝增強(qiáng)型）結(jié)構(gòu)圖2Vgs=0柵極G無(wú)感應(yīng)電荷圖3Vgs〉0產(chǎn)生電場(chǎng)圖4圖4Vgs增大,形成耗盡層圖5Vgs繼續(xù)增大吸引襯底電子圖6Vgs=Vt襯底電子形成反型層，反型層即導(dǎo)電溝道圖圖7Vgs>VTVds>0產(chǎn)生Id圖8Vds不變，Vgs增加Id增加Vgs不變，Vds增加Id增加圖9Vds大于夾斷電壓Id飽和,電流不再隨Vds增加而增加MOSFET類(lèi)型和主要特性N-MOSET：增強(qiáng)型一0耗盡型--0P-MOSET：增強(qiáng)型--0耗盡型--04.30 @主要參數(shù)介紹及定義4.3.1最大額定參數(shù)最大額定參數(shù)，所有數(shù)值取得條件(Ta=25℃)2SK34WE的例子CTa=25nC}項(xiàng)目將號(hào)箱定值單位產(chǎn)Udss和通態(tài)電阻有相互關(guān)系漏極■/薄機(jī)電感Vdss60V』,驅(qū)動(dòng)器件的電壓越低此值越低“「漏極電波h的理論公式是柵鉞/源極電壓VGSS±20V*漏報(bào)電流A-尸?_; TchmaX?Tcb85r|]fVR&s（cai）n>sxkakOch-c捌中漏破電波1口,Ul聞注7340Av——gmuM）使用瞬態(tài)熱阻 —Wga-150nCRD5f^^［但是平綺CR—J反向漏朝i電流1口只05A，密崩電流-ji60A、與口間內(nèi)置二極管的軾定電流密期能最3戶30BmJ, 匚_ ,2 "舊用第苫2 a*V（br）dss-V[j￡s容許溝道損耗P的溢110Ww——P州的溫度降糖是容許溝道溫度Tch150DCPchCTx）=PW（25flC）xTchmsx-25熱阻114、, Tchmax-TcPch(取決于封裝和芯片的尺寸)［注］1.在duty<1%時(shí)的容許值2,在下曲二25七時(shí)的容許值，Rg三50Q3,在丁仁丁25七時(shí)的容許值圖1功率MOSFET的絕對(duì)最大額定值VDSS最大漏-源電壓在柵源短接，漏-源額定電壓(VDSS)是指漏-源未發(fā)生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據(jù)溫度的不同，實(shí)際雪崩擊穿電壓可能低于額定VDSS。關(guān)于V(BR)DSS的詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)靜電學(xué)特性。VGS最大柵源電壓VGS額定電壓是柵源兩極間可以施加的最大電壓。設(shè)定該額定電壓的主要目的是防止電壓過(guò)高導(dǎo)致的柵氧化層損傷。實(shí)際柵氧化層可承受的電壓遠(yuǎn)高于額定電壓，但是會(huì)隨制造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內(nèi)可以保證應(yīng)用的可靠性。

ID-連續(xù)漏電流ID定義為芯片在最大額定結(jié)溫TJ(max)下，管表面溫度在25℃或者更高溫度下，可允許的最大連續(xù)直流電流。該參數(shù)為結(jié)與管殼之間額定熱阻ReJC和管殼溫度的函數(shù):2電科口n_Tjmax「max「max一,Derated=KeicTjmax-jAiDerated=KSJAP口="Derated!d=ReJC!d=ReJCJ-DSon_TjmaxTD=R&JAKDSon_TimaxID中并不包含開(kāi)關(guān)損耗，并且實(shí)際使用時(shí)保持管表面溫度在25℃(Tcas'e)也很難。因此，硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中實(shí)際開(kāi)關(guān)電流通常小于ID額定值(@TC=25℃)的一半，通常在1/3?1/4。補(bǔ)充，如果采用熱阻ReJA的話可以估算出特定溫度下的ID,這個(gè)值更有現(xiàn)實(shí)意義。IDM-脈沖漏極電流該參數(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。定義IDM的目的在于：對(duì)于一定的柵-源電壓，MOSFET導(dǎo)通后，存在最大的漏極電流。如圖所示，對(duì)于給定的一個(gè)柵-源電壓，如果工作點(diǎn)位于線性區(qū)域內(nèi)，漏極電流的增大會(huì)提高漏-源電壓，由此增大導(dǎo)通損耗。長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率之下，將導(dǎo)致器件失效。因此，在典型柵極驅(qū)動(dòng)電壓下，需要將額定IDM設(shè)定在區(qū)域之下。區(qū)域的分界點(diǎn)在Vgs和曲線相交點(diǎn)。BUdssBUdss因此需要設(shè)定電流密度上限，防止芯片溫度過(guò)高而燒毀。這本質(zhì)上是為了防止過(guò)高電流流經(jīng)封裝引線，因?yàn)樵谀承┣闆r下，整個(gè)芯片上最“薄弱的連接”不是芯片，而是封裝引線?？紤]到熱效應(yīng)對(duì)于IDM的限制，溫度的升高依賴(lài)于脈沖寬度，脈沖時(shí)間間隔，散熱狀況，RDS(on)以及脈沖電流的波形和幅度。單純滿足脈沖電流不超出IDM上限并不能保證結(jié)溫不超過(guò)最大允許值?？梢詤⒖紵嵝阅芘c機(jī)械性能中關(guān)于瞬時(shí)熱阻的討論，來(lái)估計(jì)脈沖電流下結(jié)溫的情況。PD-容許溝道總功耗容許溝道總功耗標(biāo)定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結(jié)溫和管殼溫度為25℃時(shí)熱阻的函數(shù)。_1和.一打加鴕 ?. .max一%-Derated-口 -Derated1cb."■Derated ”詞為心 丁好文-加型T「Tstg-工作溫度和存儲(chǔ)環(huán)境溫度的范圍這兩個(gè)參數(shù)標(biāo)定了器件工作和存儲(chǔ)環(huán)境所允許的結(jié)溫區(qū)間。設(shè)定這樣的溫度范圍是為了滿足器件最短工作壽命的要求。如果確保器件工作在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，將極大地延長(zhǎng)其工作壽命。EAS-單脈沖雪崩擊穿能量如果電壓過(guò)沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過(guò)擊穿電壓，則器件不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標(biāo)定了器件可以容忍的瞬時(shí)過(guò)沖電壓的安全值，其依賴(lài)于雪崩擊穿需要消散的能量。定義額定雪崩擊穿能量的器件通常也會(huì)定義額定Eas。額定雪崩擊穿能量與額定UISAS具有相似的意義。Eas標(biāo)定了器件可以安全吸收反向雪崩擊穿能量的高低。L是電感值，ID為電感上流過(guò)的電流峰值，其會(huì)突然轉(zhuǎn)換為測(cè)量器件的漏極電流。電感上產(chǎn)生的電壓超過(guò)MOSFET擊穿電壓后，將導(dǎo)致雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā)生時(shí)，即使MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，電感上的電流同樣會(huì)流過(guò)MOSFET器件。電感上所儲(chǔ)存的能量與雜散電感上存

儲(chǔ)，由MOSFET消散的能量類(lèi)似。MOSFET并聯(lián)后，不同器件之間的擊穿電壓很難完全相同。通常情況是：某個(gè)器件率先發(fā)生雪崩擊穿，隨后所有的雪崩擊穿電流（能量）都從該器件流過(guò)。Ear-重復(fù)雪崩能量重復(fù)雪崩能量已經(jīng)成為“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，但是在沒(méi)有設(shè)定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數(shù)沒(méi)有任何意義。散熱（冷卻）狀況經(jīng)常制約著重復(fù)雪崩能量。對(duì)于雪崩擊穿所產(chǎn)生的能量高低也很難預(yù)測(cè)。額定ear的真實(shí)意義在于標(biāo)定了器件所能承受的反復(fù)雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對(duì)頻率做任何限制，從而器件不會(huì)過(guò)熱，這對(duì)于任何可能發(fā)生雪崩擊穿的器件都是現(xiàn)實(shí)的。在驗(yàn)證器件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最好可以測(cè)量處于工作狀態(tài)的器件或者高溫工作下的溫度，來(lái)觀察MOSFET器件是否存在過(guò)熱情況，特別是對(duì)于可能發(fā)生雪崩擊穿的器件。IAR-雪崩擊穿電流對(duì)于某些器件，雪崩擊穿過(guò)程中芯片上電流集邊的傾向要求對(duì)雪崩電流IAR進(jìn)行限制。這樣，雪崩電流變成雪崩擊穿能量規(guī)格的“精細(xì)闡述”；其揭示了器件真正的能力。AP■oV[js需崩期間(Avalanctielinic)同dV.-'dtA3州5卜電括期用'電流L沌形L,AP(AvaJanc+i*Current)Rg-Rgs=5<K2幅準(zhǔn)測(cè)定電踏需件胡定值VdssAP■oV[js需崩期間(Avalanctielinic)同dV.-'dtA3州5卜電括期用'電流L沌形L,AP(AvaJanc+i*Current)Rg-Rgs=5<K2幅準(zhǔn)測(cè)定電踏需件胡定值Vdss[■:擊穿電行（脈通發(fā)生器10--15V,、生道脈寬可以改變」圖13雪崩碇M耐早測(cè)定電路和波形士需能艙里計(jì)篝公式I，F(xiàn)J_I,I2_WbR.DSSR2ApV?r|cfss-Vdo4.3.2靜態(tài)電特性項(xiàng)目符號(hào)規(guī)格填測(cè)定條件單位MinTypMax溫澄依存設(shè)計(jì)上的注意點(diǎn)漏領(lǐng)/源極破壞電母“舊引口&560———1口=1口mA、Vqs=0V■和通態(tài)電阻相關(guān)..漏極截止電流hss———10Vds=60V.PA.溫度依存性大.，但是強(qiáng)耗小“柵撅截止電流fGSS———±01Vgs=±20V,Vds=0“A—內(nèi)置保護(hù)二糧管的產(chǎn)品為幾十nA一凡眄規(guī)格值為壕即A.柵極/源極截止電壓VGS[off)1.0—25VOS=10V.iD=imAVo影麗開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)的噪聲和開(kāi)關(guān)時(shí)間gif,：漏圾「源極通態(tài)電阻1RDS(on)1——4.355M=45A、VGS=10VmQ.決定謔態(tài)損耗最重要的參數(shù).注苣：隨著溫度的上升而上升混極/源極通態(tài)電用2RDSfon)2——6.09.0g=45A、Vgs=4VmQ■[ill?：其有正的溫度系數(shù)；O：具有負(fù)的溫度系數(shù).V(BR)DSS：漏-源擊穿電壓(破壞電壓)v(br)dss(有時(shí)候叫做bvdss)是指在特定的溫度和柵源短接情況下，流過(guò)漏極電流達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓。V(BR)dss是正溫度系數(shù)，溫度低時(shí)V(BR)dss小于25℃時(shí)的漏源電壓的最大額定值。在-50℃,V(BR)dss大約是25℃時(shí)最大漏源額定電壓的90%。VGS(th)，VGS(off):閾值電壓VGS(th)是指加的柵源電壓能使漏極開(kāi)始有電流或關(guān)斷MOSFET時(shí)電流消失時(shí)的電壓，測(cè)試的條件(漏極電流，漏源電壓，結(jié)溫)也是有規(guī)定的。正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會(huì)有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規(guī)定好的。VGS(th)是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度上升時(shí)，MOSFET將會(huì)在比較低的柵源電壓下開(kāi)啟。RDS(on)：導(dǎo)通電阻RDS(on)是指在特定的漏電流(通常為ID電流的一半)、柵源電壓和25℃的情況下測(cè)得的漏-源電阻。IDSS：零柵壓漏極電流IDSS是指在當(dāng)柵源電壓為零時(shí)，在特定的漏源電壓下的漏源之間泄漏電流。既然泄漏電流隨著溫度的增加而增大，IDSS在室溫和高溫下都有規(guī)定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計(jì)算，通常這部分功耗可以忽略不計(jì)。Icss-柵源極漏電流GSS1Gss是指在特定的柵源電壓情況下流過(guò)柵極的漏電流。4.3.3動(dòng)態(tài)電氣特性項(xiàng)目符號(hào)規(guī)格值測(cè)定條件單位MinTypMax溫度依存設(shè)計(jì)上的注意點(diǎn)正向性輸導(dǎo)納|Y司55——g=45A、vDS=wvsQ輸入電容Ciss——9770——VDS=10V,^gs=i-,'t=1MHzPF——具有VdS依存性；是攜阻運(yùn)行網(wǎng)的班動(dòng)損耗指標(biāo)3輸出電容Cass—1340——PF—具有Vg依存性：影晌負(fù)載輕時(shí)的下降時(shí)間并：反向傳輸電容Crss——470——PF—具有V*依存性：影峋開(kāi)關(guān)時(shí)間k上總柵極充電電荷量Qg——180——Vdd=50V.!d=85AnC——是決定驅(qū)動(dòng)損耗的特性；對(duì)福盥1哩動(dòng)電壓有很強(qiáng)的依存性.嘲極，源極充串電荷量Qgs—32——nC—柵極，漏極（米勒電容）充電電荷量Qgd—36——nC—是決定開(kāi)關(guān)時(shí)間甘、tf的特性；依存電源電壓7日口t隨著"口口的上升而噌大〕接通延遲時(shí)間td(on)——53——VGS=10V.L=45A、Rl=0.67QRg=50Qns—取決干Rg、Qgd以及柵極驅(qū)動(dòng)電后；影哨變頻器用途的接通損耗.上升時(shí)間tr——320——ns——.斷開(kāi)延遲時(shí)間td(off)——700——ns—取決于Rg、QgC以及Vth；影陶開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電涌電壓f噪聲遂下降時(shí)間tf——380——ns——二極管正向電壓VDF——1.0——、=85MVgs-0V0如果給VGg外加正向編壓，就變?yōu)楹屯☉B(tài)電阻相同的特性二極管反向帙復(fù)時(shí)間trr——70——If=85A.■di/dt=50^A.;usns■降低Wdt以抑制短路電流和噪聲.【注】?：具有正的追度系數(shù)：o：具肩負(fù)的溫度系數(shù)Ciss：輸入電容將漏源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的柵極和源極之間的電容就是輸入電容。Ciss是由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯(lián)而成，或者Ciss=Cgs+Cgd當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時(shí)器件才能開(kāi)啟，放電至一定值時(shí)器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動(dòng)電路和Ciss對(duì)器件的開(kāi)啟和關(guān)斷延時(shí)有著直接的影響。Coss：輸出電容將柵源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的漏極和源極之間的電容就是輸出電容。Coss是由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯(lián)而成，或者Coss=Cds+Cgd對(duì)于軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，Coss非常重要，因?yàn)樗赡芤痣娐返闹C振。Crss:反向傳輸電容在源極接地的情況下，測(cè)得的漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容。反向傳輸電容等同于柵漏電容。Cres二Cgd,反向傳輸電容也常叫做米勒電容，對(duì)于開(kāi)關(guān)的上升和下降時(shí)間來(lái)說(shuō)是其中一個(gè)重要的參數(shù)，他還影響這關(guān)斷延時(shí)時(shí)間。電容隨著漏源電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。5、MOSFET運(yùn)放案例分析：客戶端IPS品牌失效：2010年，某產(chǎn)品在客戶端失效MOSFET超過(guò)40PCS，該器件為IPS品牌型號(hào)FTA06N65，規(guī)格650V6.5A。原因：IPS品牌質(zhì)量問(wèn)題；IPS供應(yīng)商承諾對(duì)大功率MOSFET的失效率保證在千分之三以內(nèi)不良率，是不可以接受的；型號(hào)FTA06N65器件的實(shí)際耐壓值與規(guī)格值都是650V，沒(méi)有余量，比其他品牌差；該品牌在抗ESD靜電方面很差；目前已經(jīng)禁用；生產(chǎn)線AOS品牌失效：2010年九月份，某產(chǎn)品在手動(dòng)OVP測(cè)試時(shí)，一天時(shí)間失效了10PCSMOSFET,品牌：AOS,型號(hào)：AOTF7N65,規(guī)格：650V7A；除了OVP工位外，其他測(cè)試工位也有零星失效；原因：短接光藕將使產(chǎn)品MOSFET占空比增大，輸出電壓增大，目前測(cè)試是在滿載測(cè)試OVP，將使輸出功率增大，MOSFET上的電流也將增大；型號(hào)為AOTF7N65AMOSFETRds值太大，器件功率損耗將增大；規(guī)格為600V/7A的各品牌MOSFET，Rds數(shù)據(jù)對(duì)比：\品牌測(cè)試數(shù)值INFENEONIRIPSFAIRCHILDAOSRds0.700.601.2501.401.5606、器